JP7139962B2 - Engine combustion control device - Google Patents
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Description
ここに開示する技術は、エンジンの燃焼制御装置に関する。 The technology disclosed herein relates to an engine combustion control device.
特許文献1には、ガソリン燃料を圧縮自己着火により燃焼させるエンジンが記載されている。このエンジンは、質量燃焼割合が50%となるクランク角度と、質量燃焼割合が10%から50%になるクランク角度期間と、の関係が所定の関係となるように、圧縮自己着火燃焼の燃焼時期及び燃焼速度を制御する。これにより、このエンジンは、熱効率の向上、燃焼安定性の向上、及び、燃焼騒音の低減を図る。
圧縮自己着火による燃焼は、自動車用エンジンにおいては、様々な課題を解決する必要がある。例えば、自動車用途では、運転状態及び環境条件が大きく変化するため、その中で安定して圧縮自己着火させることが大きな課題である。自動車用エンジンにおいて、圧縮自己着火による燃焼は未だ実用化されていない。 Combustion by compression ignition needs to solve various problems in automobile engines. For example, in automobile applications, operating conditions and environmental conditions change greatly, and stably compressive auto-ignition is a major issue. Combustion by compression ignition has not yet been put to practical use in automobile engines.
この課題を解決するために、本願出願人は、SI(Spark Ignition)燃焼とCI(Compression Ignition)燃焼とを組み合わせたSPCCI(SPark Controlled Compression Ignition)燃焼を提案している。SI燃焼は、燃焼室の中の混合気に強制的に点火を行うことにより開始する火炎伝播を伴う燃焼である。CI燃焼は、燃焼室の中の混合気が圧縮自己着火することにより開始する燃焼である。SPCCI燃焼は、燃焼室の中の混合気に強制的に点火を行って、火炎伝播による燃焼を開始させると、SI燃焼の発熱及び火炎伝播による圧力上昇によって、燃焼室の中の未燃混合気が圧縮自己着火により燃焼する形態である。SPCCI燃焼は、CI燃焼を含んでいるため、「圧縮自己着火による燃焼」の一形態である。 In order to solve this problem, the applicant of the present application has proposed SPCCI (SPark Controlled Compression Ignition) combustion, which is a combination of SI (Spark Ignition) combustion and CI (Compression Ignition) combustion. SI combustion is combustion with flame propagation initiated by forced ignition of the air-fuel mixture in the combustion chamber. CI combustion is combustion initiated by compression autoignition of the air-fuel mixture in the combustion chamber. In SPCCI combustion, the air-fuel mixture in the combustion chamber is forcibly ignited to start combustion by flame propagation. is a form that burns by compression ignition. SPCCI combustion is a form of "combustion with compression ignition" because it includes CI combustion.
点火プラグが混合気に点火を行うことにより燃焼が開始するSI燃焼やSPCCI燃焼は、点火プラグの点火時期を調節することにより、燃焼時期を調節することができる。点火時期を進角することにより、混合気が進角側で燃焼すると、エンジンの熱効率が向上する。 In SI combustion and SPCCI combustion, in which combustion starts when a spark plug ignites an air-fuel mixture, the combustion timing can be adjusted by adjusting the ignition timing of the spark plug. By advancing the ignition timing, if the mixture burns on the advance side, the thermal efficiency of the engine is improved.
ところが、SI燃焼とCI燃焼とが組み合わさったSPCCI燃焼は、点火時期が進角すると、SPCCI燃焼におけるCI燃焼の割合が多くなる。CI燃焼の割合が多くなると、燃焼騒音が相対的に大きくなるから、SPCCI燃焼は、点火時期が進角すると燃焼騒音が大きくなってしまう。また、点火時期が進角し過ぎると、異常燃焼の発生によりエンジンの信頼性が低下する恐れもある。SPCCI燃焼を行うエンジンは、SI燃焼を行うエンジンとは異なり、燃焼騒音及び/又は信頼性を考慮して点火時期を設定しなければならない。 However, in SPCCI combustion in which SI combustion and CI combustion are combined, when the ignition timing is advanced, the proportion of CI combustion in SPCCI combustion increases. As the ratio of CI combustion increases, the combustion noise becomes relatively large. Therefore, in SPCCI combustion, the combustion noise becomes large when the ignition timing is advanced. Further, if the ignition timing is advanced too much, abnormal combustion may occur, which may reduce the reliability of the engine. An engine that performs SPCCI combustion, unlike an engine that performs SI combustion, must set ignition timing in consideration of combustion noise and/or reliability.
ここに開示する技術は、SPCCI燃焼を行うエンジンの点火時期を適切に設定する。 The technique disclosed herein appropriately sets the ignition timing of an engine that performs SPCCI combustion.
ここに開示する技術は、エンジンの燃焼制御装置に関する。燃焼制御装置は、自動車に搭載されたエンジンの燃焼室に臨んで配設されかつ、点火信号に基づいて前記燃焼室内の混合気に点火をする点火部と、エンジンの運転に関係するパラメータの計測信号を出力する計測部と、前記計測部の計測信号を受けて演算を行うと共に、当該演算結果に基づく点火信号を、前記点火部に出力する制御部と、を備える。 The technology disclosed herein relates to an engine combustion control device. The combustion control device comprises an igniter unit facing a combustion chamber of an engine mounted on a vehicle, igniting an air-fuel mixture in the combustion chamber based on an ignition signal, and measuring parameters related to the operation of the engine. A measurement unit that outputs a signal, and a control unit that receives a measurement signal from the measurement unit, performs calculation, and outputs an ignition signal based on the calculation result to the ignition unit.
前記制御部は、前記点火部の点火によって一部の混合気が火炎伝播を伴う燃焼を開始した後、残りの混合気が自己着火によって燃焼する部分自己着火燃焼が行われるよう、前記点火部に前記点火信号を出力する。 The control unit causes the ignition unit to perform partial self-ignition combustion in which the remaining mixture burns by self-ignition after a part of the mixture starts combustion with flame propagation by ignition of the ignition unit. outputting the ignition signal;
前記制御部は、前記計測部の計測信号に基づいて燃焼騒音指標(cplf)の目標値を設定する目標値設定部と、質量燃焼割合50%となるクランク角(mfb50)であって、前記混合気が部分自己着火燃焼を行う場合にとり得るmfb50の最遅角位置を、混合気の自己着火モデルに基づいて推定するmfb50推定部と、前記mfb50推定部が推定した、mfb50の最遅角位置での燃焼時の、cplfを推定するcplf推定部と、前記目標値設定部が設定したcplfの目標値、cplf推定部が推定したcplfの推定値、及び、予め定めたmfb50とcplfとの関係、に基づいて、cplfの目標値を満足する燃焼のmfb50を算出する目標mfb50算出部と、前記目標mfb50算出部が算出した目標のmfb50となる点火時期を設定し、設定した点火時期に対応する点火信号を出力する点火時期設定部と、を有している。
The control unit includes a target value setting unit that sets a target value of a combustion noise index (cplf) based on the measurement signal of the measurement unit, and a crank angle (mfb50) at which the mass combustion ratio is 50%, and the mixing The mfb50 estimating unit that estimates the most retarded position of mfb50 that can be taken when gas performs partial self-ignition combustion based on the self-ignition model of the air-fuel mixture, and the most retarded position of mfb50 estimated by the mfb50 estimating unit. a cplf estimator for estimating cplf, a target value of cplf set by the target value setting unit, an estimated value of cplf estimated by the cplf estimator, and a predetermined relationship between mfb50 and cplf, Based on, a target mfb50 calculation unit that calculates mfb50 of combustion that satisfies the target value of cplf, and an ignition timing that becomes the target mfb50 calculated by the target mfb50 calculation unit are set, and ignition corresponding to the set ignition timing and an ignition timing setting unit that outputs a signal.
部分自己着火燃焼の、点火時期から自己着火を開始するまでの期間は、燃焼室内の状態等に応じて変化する。部分自己着火燃焼は、点火時期が同じであっても、燃焼波形が変化する場合がある。部分自己着火燃焼は、点火時期と燃焼騒音指標(cplf)との相関が低い。 The period of partial self-ignition combustion from the ignition timing to the start of self-ignition varies depending on the state of the combustion chamber. In partial self-ignition combustion, even if the ignition timing is the same, the combustion waveform may change. Partial autoignition combustion has a low correlation between ignition timing and combustion noise index (cplf).
そこで、本願発明者らは、mfb50((mass fraction burned:質量燃焼割合50%となるクランク角)とcplf(cylinder pressure level filtered)との相関が高い点に着目をした。本願発明者らは、部分自己着火燃焼の点火時期を設定するに際し、mfb50とcplfとの関係に基づいて、目標とするmfb50を設定すると共に、目標のmfb50となるように点火時期を設定するロジックを完成させた。尚、燃焼騒音指標は、燃焼室内の圧力変化の周波数スペクトルである。 Therefore, the inventors of the present application focused on the fact that there is a high correlation between mfb50 ((mass fraction burned: crank angle at which the mass fraction burned is 50%) and cplf (cylinder pressure level filtered). When setting the ignition timing for partial self-ignition combustion, the target mfb50 is set based on the relationship between mfb50 and cplf, and the logic for setting the ignition timing so as to achieve the target mfb50 has been completed. , the combustion noise index is the frequency spectrum of pressure changes in the combustion chamber.
前記のロジックにおいて、目標とするmfb50は、混合気が部分自己着火燃焼を行う場合の、mfb50の最遅角位置に基づいて設定される。つまり、mfb50が遅すぎるような燃焼は、混合気は自己着火による燃焼を開始しないで火炎伝播による燃焼のみを行う。混合気が部分自己着火燃焼する場合、mfb50は、相対的に進角側に位置する。混合気が部分自己着火燃焼を行う場合の、mfb50の最遅角位置は、燃焼室内の状態等に応じて定まる。mfb50の最遅角位置は、燃焼室内の状態が変わると、変化する。
In the above logic, the target mfb50 is set based on the most retarded position of mfb50 when the air-fuel mixture undergoes partial self-ignition combustion. In other words, in combustion where mfb50 is too slow, the air-fuel mixture does not initiate combustion by autoignition, but only by flame propagation. When the air-fuel mixture undergoes partial self-ignition combustion, mfb50 is relatively positioned on the advance side. The most retarded position of
mfb50推定部は、混合気の自己着火モデルに基づいて、mfb50の最遅角位置を推定する。自己着火モデルは、後述するように、アレニウスの式を基にした、燃焼室内の混合気の自己着火をモデル化した式としてもよい。 The mfb50 estimator estimates the most retarded position of mfb50 based on the self-ignition model of the air-fuel mixture. As will be described later, the autoignition model may be an equation that models the autoignition of the air-fuel mixture in the combustion chamber based on the Arrhenius equation.
mfb50の最遅角位置が定まると、当該最遅角位置を基準にして、燃焼騒音指標が目標値を超えない限度で、mfb50を進角させる。限界まで進角させたmfb50が、目標とするmfb50である。mfb50の進角限界を定めるために、cplf推定部は、mfb50の最遅角位置での燃焼時の、cplfを推定する。
When the most retarded position of
mfb50の最遅角位置での燃焼は、部分自己着火燃焼においてCI燃焼分が少ない燃焼である。当該部分自己着火燃焼のcplfは、SI燃焼のcplfと同じ又はほぼ同じとみなすことができる。そこで、cplf推定部は、mfb50の最遅角位置での燃焼時のcplfを、混合気が部分自己着火燃焼ではなく、SI燃焼をしたと仮定して推定してもよい。SI燃焼のcplfは、SI燃焼の燃焼波形に基づいて推定することができる。SI燃焼の燃焼波形は、例えばシミュレーションによって、又は、実際の燃焼データから取得することができる。
Combustion at the most retarded position of mfb50 is combustion with a small amount of CI combustion in partial self-ignition combustion. The cplf of the partial self-ignition combustion can be regarded as the same or substantially the same as the cplf of the SI combustion. Therefore, the cplf estimator may estimate the cplf during combustion at the most retarded position of
mfb50の最遅角位置での燃焼時のcplfを推定すれば、目標mfb50算出部は、cplfの推定値と、cplfの目標値と、予め定めたmfb50とcplfとの関係と、に基づいて、mfb50の進角限界を算出することができる。mfb50の進角限界が、つまり、mfb50の目標値である。 After estimating cplf during combustion at the most retarded position of mfb50, the target mfb50 calculator calculates, based on the estimated value of cplf, the target value of cplf, and the predetermined relationship between mfb50 and cplf, An advance limit for mfb50 can be calculated. The advance limit for mfb50 is the target value for mfb50.
mfb50の目標値を算出すれば、点火時期設定部は、目標mfb50となる点火時期を設定する。点火時期設定部が点火時期に対応する点火信号を出力すれば、点火部が当該点火時期に点火を行う。燃焼室内の混合気は、mfb50が目標mfb50となるような部分自己着火燃焼をする。これにより、cplfは目標値を大きく超えない。その結果、燃焼騒音の増大や、エンジンの信頼性の低下を抑制することができる。また、mfb50は可能な限度で進角しているから、燃費性能を向上させることができる。つまり、前記の構成のエンジンの燃焼制御装置は、点火時期を適切に設定することができる。 When the target value of mfb50 is calculated, the ignition timing setting unit sets the ignition timing that becomes the target mfb50. When the ignition timing setting unit outputs an ignition signal corresponding to the ignition timing, the ignition unit ignites at the ignition timing. The air-fuel mixture in the combustion chamber undergoes partial self-ignition combustion such that mfb50 is the target mfb50. As a result, cplf does not greatly exceed the target value. As a result, an increase in combustion noise and a decrease in reliability of the engine can be suppressed. In addition, since mfb50 is advanced as much as possible, fuel efficiency can be improved. That is, the engine combustion control device having the above configuration can appropriately set the ignition timing.
前記目標mfb50算出部は、燃焼室の体積比(mfb50が前記最遅角位置よりも進角した燃焼におけるmfb50時点の燃焼室の体積/前記mfb50の最遅角位置におけるmfb50時点の燃焼室の体積)と、cplfとの関係に基づいて、cplfの目標値を満足する燃焼のmfb50を算出する、としてもよい。 The target mfb50 calculator calculates the volume ratio of the combustion chamber (the volume of the combustion chamber at mfb50 in combustion in which mfb50 is advanced from the most retarded position / the volume of the combustion chamber at mfb50 in the most retarded position of mfb50 ) and cplf, mfb50 of combustion that satisfies the target value of cplf may be calculated.
燃焼騒音指標(cplf)は、燃焼室内の圧力変動(dp/dt)と相関があり、燃焼室内の圧力変動は、燃焼室内の体積変化に関係する。よって、前述したmfb50の最遅角位置におけるmfb50時点の燃焼室の体積に対する、当該最遅角位置よりもmfb50が進角した燃焼におけるmfb50時点の燃焼室の体積の比と、cplfとの間には、相関がある。体積比が小さくなると、cplfが増大する。 The combustion noise index (cplf) is correlated with the pressure variation in the combustion chamber (dp/dt), and the pressure variation in the combustion chamber is related to the volume change in the combustion chamber. Therefore, between the ratio of the volume of the combustion chamber at mfb50 in combustion in which mfb50 is advanced from the most retarded position to the volume of the combustion chamber at mfb50 at the most retarded position of mfb50, and cplf are correlated. As the volume ratio decreases, cplf increases.
目標mfb50算出部は、前記の体積比とcplfとの関係に基づいて、cplfの目標値を満足する燃焼のmfb50を算出する。このことにより、目標のmfb50を適切に設定することができる。 The target mfb50 calculation unit calculates mfb50 of combustion that satisfies the target value of cplf based on the relationship between the volume ratio and cplf. This allows the target mfb50 to be set appropriately.
前記計測部は、前記燃焼室内の圧力変化に対応する計測信号を出力する筒内圧センサを含み、前記制御部は、前記筒内圧センサの計測信号に基づいて混合気が部分着火燃焼を行った否かを判断すると共に、部分着火燃焼を行った場合には、前記筒内圧センサの計測信号に基づいて計測した実際のmfb50を用いて、前記自己着火モデルを補正する、としてもよい。 The measurement unit includes an in-cylinder pressure sensor that outputs a measurement signal corresponding to pressure changes in the combustion chamber, and the control unit determines whether or not the air-fuel mixture has undergone partial ignition combustion based on the measurement signal of the in-cylinder pressure sensor. In addition to determining whether partial ignition combustion is performed, the self-ignition model may be corrected using the actual mfb50 measured based on the measurement signal of the in-cylinder pressure sensor.
こうすることで、実際に計測をした混合気の燃焼状態に基づいて、自己着火モデルが補正される。制御部は、補正した自己着火モデルに基づいて、目標のmfb50を、より一層、適切に設定することが可能になる。 By doing so, the autoignition model is corrected based on the actually measured combustion state of the air-fuel mixture. The control unit can more appropriately set the target mfb50 based on the corrected autoignition model.
前記計測部は、前記燃焼室内の圧力変化に対応する計測信号を出力する筒内圧センサを含み、前記制御部は、前記筒内圧センサの計測信号に基づいて混合気が部分着火燃焼を行った否かを判断すると共に、部分着火燃焼を行った場合には、前記筒内圧センサの計測信号に基づいて計測した実際のcplfを用いて、前記mfb50とcplfとの関係を補正する、としてもよい。 The measurement unit includes an in-cylinder pressure sensor that outputs a measurement signal corresponding to pressure changes in the combustion chamber, and the control unit determines whether or not the air-fuel mixture has undergone partial ignition combustion based on the measurement signal of the in-cylinder pressure sensor. If partial ignition combustion is performed, the relationship between mfb50 and cplf may be corrected using the actual cplf measured based on the measurement signal of the in-cylinder pressure sensor.
こうすることで、実際に計測をした混合気の燃焼状態に基づいて、mfb50とcplfとの関係(又は前記体積比とcplfとの関係)が補正される。制御部は、補正したmfb50とcplfとの関係に基づいて、目標のmfb50を、より一層、適切に設定することが可能になる。 By doing so, the relationship between mfb50 and cplf (or the relationship between the volume ratio and cplf) is corrected based on the actually measured combustion state of the air-fuel mixture. The control unit can more appropriately set the target mfb50 based on the corrected relationship between mfb50 and cplf.
前記mfb50推定部は、
混合気の自己着火モデル TCI
A ×PCI
B×(O2_rate)C ×φD /time=1
(但し、TCIは混合気が自己着火する時の燃焼室内の温度、PCIは混合気が自己着火する時の燃焼室内の圧力、O2_rateは燃焼室内の酸素濃度、φは混合気の当量比、timeは時間、A、B、C、Dはそれぞれ定数)、及び、
前記燃焼室内の圧力変化の関係式 PCI=PBDC×(VBDC/VCI)κ+Q×(κ-1)/VCI
(但し、PBDCは吸気下死点時の燃焼室内の圧力、VBDCは吸気下死点時の燃焼室内の体積、VCIは混合気が自己着火する時の燃焼室内の圧力、Qは混合気の燃焼により発生する熱量、κは混合気の比熱比)
に基づいて、燃焼室内の混合気が自己着火を開始する時点の前記燃焼室の体積VCIを推定すると共に、推定した体積VCIから、mfb50の最遅角位置を推定する、としてもよい。
The mfb50 estimation unit
Self-ignition model of air-fuel mixture T CI A ×P CI B ×(O2_rate) C ×φ D /time=1
(However, T CI is the temperature in the combustion chamber when the air-fuel mixture self-ignites, PCI is the pressure in the combustion chamber when the air-fuel mixture self-ignites, O2_rate is the oxygen concentration in the combustion chamber, and φ is the equivalence ratio of the air-fuel mixture. , time is time, A, B, C, and D are constants), and
Relational expression of pressure change in the combustion chamber P CI = P BDC × (V BDC /V CI ) κ + Q × (κ - 1) / V CI
(However, P BDC is the pressure in the combustion chamber at the intake bottom dead center, V BDC is the volume in the combustion chamber at the intake bottom dead center, V CI is the pressure in the combustion chamber when the mixture self-ignites, Q is the mixture κ is the specific heat ratio of the air-fuel mixture)
, the volume V CI of the combustion chamber at the time when the air-fuel mixture in the combustion chamber starts self-ignition is estimated, and the most retarded position of
mfb50推定部は、混合気の自己着火モデルに基づいて、混合気が部分自己着火燃焼を行う場合の、mfb50の最遅角位置を、精度良く推定することができる。 The mfb50 estimator can accurately estimate the most retarded position of mfb50 when the air-fuel mixture performs partial self-ignition combustion based on the air-fuel mixture autoignition model.
以上説明したように、前記のエンジンの燃焼制御装置は、SPCCI燃焼を行うエンジンの点火時期を適切に設定することができる。 As described above, the engine combustion control device can appropriately set the ignition timing of an engine that performs SPCCI combustion.
以下、エンジンの燃焼制御装置に関する実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明は、エンジン、及び、エンジンの燃焼制御装置の一例である。 An embodiment of an engine combustion control device will be described in detail below with reference to the drawings. The following description is an example of an engine and a combustion control system for the engine.
図1は、圧縮着火式のエンジンシステムの構成を例示する図である。図2は、エンジンの燃焼室の構成を例示する図である。尚、図1における吸気側は紙面左側であり、排気側は紙面右側である。図2における吸気側は紙面右側であり、排気側は紙面左側である。図3は、エンジンの制御装置の構成を例示するブロック図である。 FIG. 1 is a diagram illustrating the configuration of a compression ignition engine system. FIG. 2 is a diagram illustrating the configuration of the combustion chamber of the engine. Note that the intake side in FIG. 1 is on the left side of the paper, and the exhaust side is on the right side of the paper. The intake side in FIG. 2 is on the right side of the paper, and the exhaust side is on the left side of the paper. FIG. 3 is a block diagram illustrating the configuration of an engine control device.
エンジン1は、燃焼室17が吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程を繰り返すことにより運転する4ストロークエンジンである。エンジン1は、四輪の自動車に搭載されている。エンジン1が運転することによって、自動車は走行する。エンジン1の燃料は、この構成例においてはガソリンである。燃料は、少なくともガソリンを含む液体燃料であればよい。燃料は、例えばバイオエタノール等を含むガソリンであってもよい。
The
(エンジンの構成)
エンジン1は、シリンダブロック12と、その上に載置されるシリンダヘッド13とを備えている。シリンダブロック12の内部に複数のシリンダ11が形成されている。図1及び図2では、一つのシリンダ11のみを示す。エンジン1は、多気筒エンジンである。
(Engine configuration)
The
各シリンダ11内には、ピストン3が摺動自在に内挿されている。ピストン3は、コネクティングロッド14を介してクランクシャフト15に連結されている。ピストン3は、シリンダ11及びシリンダヘッド13と共に燃焼室17を区画する。尚、「燃焼室」は広義で用いる場合がある。つまり、「燃焼室」は、ピストン3の位置に関わらず、ピストン3、シリンダ11及びシリンダヘッド13によって形成される空間を意味する場合がある。
A
シリンダヘッド13の下面、つまり、燃焼室17の天井面は、図2の下図に示すように、傾斜面1311と、傾斜面1312とによって構成されている。傾斜面1311は、吸気側から、後述するインジェクタ6の噴射軸心X2に向かって上り勾配となっている。傾斜面1312は、排気側から噴射軸心X2に向かって上り勾配となっている。燃焼室17の天井面は、いわゆるペントルーフ形状である。
The lower surface of the
ピストン3の上面は燃焼室17の天井面に向かって隆起している。ピストン3の上面には、キャビティ31が形成されている。キャビティ31は、ピストン3の上面から凹陥している。キャビティ31は、この構成例では、浅皿形状を有している。キャビティ31の中心は、シリンダ11の中心軸X1よりも排気側にずれている。
The upper surface of the
エンジン1の幾何学的圧縮比は、10以上30以下に設定されている。後述するようにエンジン1は、一部の運転領域において、SI燃焼とCI燃焼とを組み合わせたSPCCI燃焼を行う。SPCCI燃焼は、SI燃焼による発熱と圧力上昇とを利用して、CI燃焼をコントロールする。エンジン1は、圧縮着火式エンジンである。しかし、このエンジン1は、ピストン3が圧縮上死点に至った時の燃焼室17の温度(つまり、圧縮端温度)を高くする必要がない。エンジン1は、幾何学的圧縮比を、比較的低く設定することが可能である。幾何学的圧縮比を低くすると、冷却損失の低減、及び、機械損失の低減に有利になる。エンジン1の幾何学的圧縮比は、レギュラー仕様(燃料のオクタン価が91程度の低オクタン価燃料)においては、14~17とし、ハイオク仕様(燃料のオクタン価が96程度の高オクタン価燃料)においては、15~18としてもよい。
The geometric compression ratio of the
シリンダヘッド13には、シリンダ11毎に、吸気ポート18が形成されている。吸気ポート18は、図示は省略するが、第1吸気ポート及び第2吸気ポートを有している。吸気ポート18は、燃焼室17に連通している。吸気ポート18は、詳細な図示は省略するが、いわゆるタンブルポートである。つまり、吸気ポート18は、燃焼室17の中にタンブル流が形成されるような形状を有している。
An
吸気ポート18には、吸気弁21が配設されている。吸気弁21は、燃焼室17と吸気ポート18との間を開閉する。吸気弁21は動弁機構によって、所定のタイミングで開閉する。動弁機構は、バルブタイミング及び/又はバルブリフトを可変にする可変動弁機構とすればよい。この構成例では、図3に示すように、可変動弁機構は、吸気電動S-VT(Sequential-Valve Timing)23を有している。吸気電動S-VT23は、吸気カムシャフトの回転位相を所定の角度範囲内で連続的に変更する。吸気弁21の開弁タイミング及び閉弁タイミングは、連続的に変化する。尚、吸気動弁機構は、電動S-VTに代えて、油圧式のS-VTを有していてもよい。
An
シリンダヘッド13にはまた、シリンダ11毎に、排気ポート19が形成されている。排気ポート19も、第1排気ポート及び第2排気ポートを有している。排気ポート19は、燃焼室17に連通している。
The
排気ポート19には、排気弁22が配設されている。排気弁22は、燃焼室17と排気ポート19との間を開閉する。排気弁22は動弁機構によって、所定のタイミングで開閉する。この動弁機構は、バルブタイミング及び/又はバルブリフトを可変にする可変動弁機構とすればよい。この構成例では、図3に示すように、可変動弁機構は、排気電動S-VT24を有している。排気電動S-VT24は、排気カムシャフトの回転位相を所定の角度範囲内で連続的に変更する。排気弁22の開弁タイミング及び閉弁タイミングは、連続的に変化する。尚、排気動弁機構は、電動S-VTに代えて、油圧式のS-VTを有していてもよい。
An
吸気電動S-VT23及び排気電動S-VT24は、吸気弁21と排気弁22との両方が開弁するオーバーラップ期間の長さを調節する。オーバーラップ期間の長さを長くすると、燃焼室17の中の残留ガスを掃気することができる。また、オーバーラップ期間の長さを調節することによって、内部EGR(Exhaust Gas Recirculation)ガスを燃焼室17の中に導入することができる。内部EGRシステムは、吸気電動S-VT23及び排気電動S-VT24によって構成されている。尚、内部EGRシステムは、S-VTによって構成されるとは限らない。
The electric intake S-VT 23 and the electric exhaust S-VT 24 adjust the length of the overlap period during which both the
シリンダヘッド13には、シリンダ11毎に、インジェクタ6が取り付けられている。インジェクタ6は、燃焼室17の中に燃料を直接噴射する。インジェクタ6は、燃料噴射部の一例である。インジェクタ6は、傾斜面1311と傾斜面1312とが交差するペントルーフの谷部に配設されている。図2に示すように、インジェクタ6の噴射軸心X2は、シリンダ11の中心軸X1よりも排気側に位置している。インジェクタ6の噴射軸心X2は、中心軸X1に平行である。インジェクタ6の噴射軸心X2とキャビティ31の中心とは一致している。インジェクタ6は、キャビティ31に対向している。尚、インジェクタ6の噴射軸心X2は、シリンダ11の中心軸X1と一致していてもよい。その構成の場合に、インジェクタ6の噴射軸心X2と、キャビティ31の中心とは一致していてもよい。
An
インジェクタ6は、詳細な図示は省略するが、複数の噴口を有する多噴口型の燃料噴射弁によって構成されている。インジェクタ6は、図2に二点鎖線で示すように、燃料噴霧が、燃焼室17の中央から放射状に広がるように燃料を噴射する。インジェクタ6は、本構成例においては、十個の噴孔を有しており、噴孔は、周方向に等角度に配置されている。
Although detailed illustration is omitted, the
インジェクタ6には、燃料供給システム61が接続されている。燃料供給システム61は、燃料を貯留するよう構成された燃料タンク63と、燃料タンク63とインジェクタ6とを互いに連結する燃料供給路62とを備えている。燃料供給路62には、燃料ポンプ65とコモンレール64とが介設している。燃料ポンプ65は、コモンレール64に燃料を圧送する。燃料ポンプ65は、この構成例においては、クランクシャフト15によって駆動されるプランジャー式のポンプである。コモンレール64は、燃料ポンプ65から圧送された燃料を、高い燃料圧力で蓄える。インジェクタ6が開弁すると、コモンレール64に蓄えられていた燃料が、インジェクタ6の噴口から燃焼室17の中に噴射される。燃料供給システム61は、30MPa以上の高い圧力の燃料を、インジェクタ6に供給することが可能である。インジェクタ6に供給する燃料の圧力は、エンジン1の運転状態に応じて変更してもよい。尚、燃料供給システム61の構成は、前記の構成に限定されない。
A
シリンダヘッド13には、シリンダ11毎に、点火プラグ25が取り付けられている。点火プラグ25は、燃焼室17の中の混合気に強制的に点火をする。点火プラグ25は、この構成例では、シリンダ11の中心軸X1よりも吸気側に配設されている。点火プラグ25は、2つの吸気ポート18の間に位置している。点火プラグ25は、上方から下方に向かって、燃焼室17の中央に近づく方向に傾いて、シリンダヘッド13に取り付けられている。点火プラグ25の電極は、図2に示すように、燃焼室17の中に臨んでかつ、燃焼室17の天井面の付近に位置している。尚、点火プラグ25を、シリンダ11の中心軸X1よりも排気側に配置してもよい。また、点火プラグ25をシリンダ11の中心軸X1上に配置してもよい。
A
エンジン1の一側面には吸気通路40が接続されている。吸気通路40は、各シリンダ11の吸気ポート18に連通している。燃焼室17に導入するガスは、吸気通路40を流れる。吸気通路40の上流端部には、エアクリーナー41が配設されている。エアクリーナー41は、新気を濾過する。吸気通路40の下流端近傍には、サージタンク42が配設されている。サージタンク42よりも下流の吸気通路40は、シリンダ11毎に分岐する独立通路を構成している。独立通路の下流端が、各シリンダ11の吸気ポート18に接続されている。
An
吸気通路40におけるエアクリーナー41とサージタンク42との間には、スロットル弁43が配設されている。スロットル弁43は、弁の開度を調節することによって、燃焼室17の中への新気の導入量を調節する。
A
吸気通路40にはまた、スロットル弁43の下流に、過給機44が配設されている。過給機44は、燃焼室17に導入するガスを過給する。この構成例において、過給機44は、エンジン1によって駆動される機械式の過給機である。機械式の過給機44は、ルーツ式、リショルム式、ベーン式、又は遠心式であってもよい。
A
過給機44とエンジン1との間には、電磁クラッチ45が介設している。電磁クラッチ45は、過給機44とエンジン1との間で、エンジン1から過給機44へ駆動力を伝達したり、駆動力の伝達を遮断したりする。後述するように、ECU10が電磁クラッチ45の接続及び遮断を切り替えることによって、過給機44はオンとオフとが切り替わる。
An electromagnetic clutch 45 is interposed between the
吸気通路40における過給機44の下流には、インタークーラー46が配設されている。インタークーラー46は、過給機44において圧縮されたガスを冷却する。インタークーラー46は、例えば水冷式又は油冷式に構成してもよい。
An
吸気通路40には、バイパス通路47が接続されている。バイパス通路47は、過給機44及びインタークーラー46をバイパスするよう、吸気通路40における過給機44の上流部とインタークーラー46の下流部とを互いに接続する。バイパス通路47には、エアバイパス弁48が配設されている。エアバイパス弁48は、バイパス通路47を流れるガスの流量を調節する。
A
ECU10は、過給機44をオフにしたとき(つまり、電磁クラッチ45を遮断したとき)に、エアバイパス弁48を全開にする。吸気通路40を流れるガスは、過給機44をバイパスして、エンジン1の燃焼室17に導入される。エンジン1は、非過給、つまり自然吸気の状態で運転する。
The
過給機44をオンにすると、エンジン1は過給状態で運転する。ECU10は、過給機44をオンにしたとき(つまり、電磁クラッチ45を接続したとき)に、エアバイパス弁48の開度を調節する。過給機44を通過したガスの一部は、バイパス通路47を通って過給機44の上流に逆流する。ECU10がエアバイパス弁48の開度を調節すると、燃焼室17に導入するガスの過給圧が変わる。尚、過給時とは、サージタンク42内の圧力が大気圧を超える時をいい、非過給時とは、サージタンク42内の圧力が大気圧以下になる時をいう、と定義してもよい。
When the
この構成例においては、過給機44とバイパス通路47とエアバイパス弁48とによって、過給システム49が構成されている。
In this configuration example, a supercharging
エンジン1は、燃焼室17内に、スワール流を発生させるスワール発生部を有している。スワール流は、図2に白抜きの矢印で示すように流れる。スワール発生部は、吸気通路40に取り付けられたスワールコントロール弁56を有している。スワールコントロール弁56は、詳細な図示は省略するが、二つの吸気ポート18のうちの一方の吸気ポート18につながるプライマリ通路と、他方の吸気ポート18につながるセカンダリ通路との内の、セカンダリ通路に配設されている。スワールコントロール弁56は、セカンダリ通路の断面を絞ることができる開度調節弁である。スワールコントロール弁56の開度が小さいと、一方の吸気ポート18から燃焼室17に入る吸気流量が相対的に多くかつ、他方の吸気ポート18から燃焼室17に入る吸気流量が相対的に少ないから、燃焼室17内のスワール流が強くなる。スワールコントロール弁56の開度が大きいと、二つの吸気ポート18のそれぞれから燃焼室17に入る吸気流量が略均等になるから、燃焼室17内のスワール流が弱くなる。スワールコントロール弁56を全開にすると、スワール流が発生しない。
The
エンジン1の他側面には、排気通路50が接続されている。排気通路50は、各シリンダ11の排気ポート19に連通している。排気通路50は、燃焼室17から排出された排気ガスが流れる通路である。排気通路50の上流部分は、詳細な図示は省略するが、シリンダ11毎に分岐する独立通路を構成している。独立通路の上流端が、各シリンダ11の排気ポート19に接続されている。
An
排気通路50には、複数の触媒コンバーターを有する排気ガス浄化システムが配設されている。上流の触媒コンバーターは、図示は省略するが、エンジンルーム内に配設されている。上流の触媒コンバーターは、三元触媒511と、GPF(Gasoline Particulate Filter)512とを有している。下流の触媒コンバーターは、エンジンルーム外に配設されている。下流の触媒コンバーターは、三元触媒513を有している。尚、排気ガス浄化システムは、図例の構成に限定されるものではない。例えば、GPFは省略してもよい。また、触媒コンバーターは、三元触媒を有するものに限定されない。さらに、三元触媒及びGPFの並び順は、適宜変更してもよい。
An exhaust gas purification system having a plurality of catalytic converters is arranged in the
吸気通路40と排気通路50との間には、外部EGRシステムを構成するEGR通路52が接続されている。EGR通路52は、排気ガスの一部を吸気通路40に還流させるための通路である。EGR通路52の上流端は、排気通路50における上流の触媒コンバーターと下流の触媒コンバーターとの間に接続されている。EGR通路52の下流端は、吸気通路40における過給機44の上流部に接続されている。EGR通路52を流れるEGRガスは、バイパス通路47のエアバイパス弁48を通らずに、吸気通路40における過給機44の上流部に入る。
An
EGR通路52には、水冷式のEGRクーラー53が配設されている。EGRクーラー53は、排気ガスを冷却する。EGR通路52にはまた、EGR弁54が配設されている。EGR弁54は、EGR通路52を流れる排気ガスの流量を調節する。EGR弁54の開度を調節することによって、冷却した排気ガス、つまり外部EGRガスの還流量を調節することができる。
A water-cooled
この構成例において、EGRシステム55は、外部EGRシステムと、内部EGRシステムとによって構成されている。外部EGRシステムは、内部EGRシステムよりも低温の排気ガスを、燃焼室17に供給することができる。
In this configuration example, the
図1及び図3において、符号57は、クランクシャフト15に連結されたオルタネータ57である。オルタネータ57は、エンジン1によって駆動される。
1 and 3,
エンジンの燃焼制御装置は、エンジン1を運転するためのECU(Engine Control Unit)10を備えている。ECU10は、周知のマイクロコンピュータをベースとするコントローラーであって、図3に示すように、プログラムを実行する中央演算処理装置(Central Processing Unit:CPU)101と、例えばRAM(Random Access Memory)やROM(Read Only Memory)により構成されてプログラム及びデータを格納するメモリ102と、電気信号の入出力をする入出力バス103と、を備えている。ECU10は、制御部の一例である。
The engine combustion control device includes an ECU (Engine Control Unit) 10 for operating the
ECU10には、図1及び図3に示すように、各種のセンサSW1~SW17が接続されている。センサSW1~SW17は、信号をECU10に出力する。センサには、以下のセンサが含まれる。
Various sensors SW1 to SW17 are connected to the
エアフローセンサSW1:吸気通路40におけるエアクリーナー41の下流に配置されかつ、吸気通路40を流れる新気の流量を計測する
第1吸気温度センサSW2:吸気通路40におけるエアクリーナー41の下流に配置されかつ、吸気通路40を流れる新気の温度を計測する
第1圧力センサSW3:吸気通路40におけるEGR通路52の接続位置よりも下流でかつ、過給機44の上流に配置されかつ、過給機44に流入するガスの圧力を計測する
第2吸気温度センサSW4:吸気通路40における過給機44の下流でかつ、バイパス通路47の接続位置よりも上流に配置されかつ、過給機44から流出したガスの温度を計測する
第2圧力センサSW5:サージタンク42に取り付けられかつ、過給機44の下流のガスの圧力を計測する
筒内圧センサSW6:各シリンダ11に対応してシリンダヘッド13に取り付けられかつ、各燃焼室17内の圧力を計測する
排気温度センサSW7:排気通路50に配置されかつ、燃焼室17から排出した排気ガスの温度を計測する
リニアO2センサSW8:排気通路50における上流の触媒コンバーターよりも上流に配置されかつ、排気ガス中の酸素濃度を計測する
ラムダO2センサSW9:上流の触媒コンバーターにおける三元触媒511の下流に配置されかつ、排気ガス中の酸素濃度を計測する
水温センサSW10:エンジン1に取り付けられかつ、冷却水の温度を計測する
クランク角センサSW11:エンジン1に取り付けられかつ、クランクシャフト15の回転角を計測する
アクセル開度センサSW12:アクセルペダル機構に取り付けられかつ、アクセルペダルの操作量に対応したアクセル開度を計測する
吸気カム角センサSW13:エンジン1に取り付けられかつ、吸気カムシャフトの回転角を計測する
排気カム角センサSW14:エンジン1に取り付けられかつ、排気カムシャフトの回転角を計測する
EGR差圧センサSW15:EGR通路52に配置されかつ、EGR弁54の上流及び下流の差圧を計測する
燃圧センサSW16:燃料供給システム61のコモンレール64に取り付けられかつ、インジェクタ6に供給する燃料の圧力を計測する
第3吸気温度センサSW17:サージタンク42に取り付けられかつ、サージタンク42内のガスの温度、換言すると燃焼室17に導入される吸気の温度を計測する。
Airflow sensor SW1: arranged downstream of the
ECU10は、これらのセンサSW1~SW17の信号に基づいて、エンジン1の運転状態を判断すると共に、予め定められている制御ロジックに従って、各デバイスの制御量を演算する。制御ロジックは、メモリ102に記憶されている。制御ロジックは、メモリ102に記憶しているマップを用いて、目標量及び/又は制御量を演算することを含む。
The
ECU100は、演算をした制御量に係る電気信号を、インジェクタ6、点火プラグ25、吸気電動S-VT23、排気電動S-VT24、燃料供給システム61、スロットル弁43、EGR弁54、過給機44の電磁クラッチ45、エアバイパス弁48、スワールコントロール弁56、及び、オルタネータ57に出力する。
The
例えば、ECU10は、アクセル開度センサSW12の信号とマップとに基づいて、エンジン1の目標トルクを設定すると共に、目標過給圧を決定する。そして、ECU10は、目標過給圧と、第1圧力センサSW3及び第2圧力センサSW5の信号から得られる過給機44の前後差圧とに基づいて、エアバイパス弁48の開度を調節するフィードバック制御を行うことにより、過給圧が目標過給圧となるようにする。
For example, the
また、ECU10は、エンジン1の運転状態とマップとに基づいて目標EGR率(つまり、燃焼室17の中の全ガスに対するEGRガスの比率)を設定する。そして、ECU10は、目標EGR率とアクセル開度センサSW12の信号に基づく吸入空気量とに基づき目標EGRガス量を決定すると共に、EGR差圧センサSW15の信号から得られるEGR弁54の前後差圧に基づいてEGR弁54の開度を調節するフィードバック制御を行うことにより、燃焼室17の中に導入する外部EGRガス量が目標EGRガス量となるようにする。
Further, the
さらに、ECU10は、所定の制御条件が成立している場合に空燃比フィードバック制御を実行する。具体的にECU10は、リニアO2センサSW8、及び、ラムダO2センサSW9が計測した排気中の酸素濃度に基づいて、混合気の空燃比が所望の値となるように、インジェクタ6の燃料噴射量を調節する。
Furthermore, the
尚、その他のECU10によるエンジン1の制御の詳細は、後述する。
Other details of the control of the
(SPCCI燃焼のコンセプト)
エンジン1は、燃費の向上及び排出ガス性能の向上を主目的として、所定の運転状態にある場合に圧縮自己着火による燃焼を行う。自己着火による燃焼は、圧縮開始前の燃焼室17の中の温度がばらつくと、自己着火のタイミングが大きく変化する。そこで、エンジン1は、SI燃焼とCI燃焼とを組み合わせたSPCCI燃焼を行う。
(SPCCI combustion concept)
The main purpose of the
SPCCI燃焼は、点火プラグ25が、燃焼室17の中の混合気に強制的に点火をすることによって、混合気が火炎伝播によりSI燃焼をすると共に、SI燃焼の発熱により燃焼室17の中の温度が高くなりかつ、火炎伝播により燃焼室17の中の圧力が上昇することによって、未燃混合気が自己着火によるCI燃焼をする形態である。
In the SPCCI combustion, the
SI燃焼の発熱量を調節することによって、圧縮開始前の燃焼室17の中の温度のばらつきを吸収することができる。ECU10が点火時期を調節することによって、混合気を目標のタイミングで自己着火させることができる。
By adjusting the calorific value of SI combustion, it is possible to absorb temperature variations in the
SPCCI燃焼において、SI燃焼時の熱発生は、CI燃焼時の熱発生よりも穏やかである。SPCCI燃焼における熱発生率の波形は、図4に例示するように、立ち上がりの傾きが、CI燃焼の波形における立ち上がりの傾きよりも小さくなる。また、燃焼室17の中における圧力変動(dp/dθ)も、SI燃焼時は、CI燃焼時よりも穏やかになる。
In SPCCI combustion, the heat release during SI combustion is milder than that during CI combustion. As illustrated in FIG. 4, the waveform of the heat release rate in SPCCI combustion has a rising slope smaller than that in the waveform of CI combustion. Further, the pressure fluctuation (dp/dθ) in the
SI燃焼の開始後、未燃混合気が自己着火すると、自己着火のタイミングで、熱発生率の波形の傾きが、小から大へと変化する場合がある。熱発生率の波形は、CI燃焼が開始するタイミングθciで、変曲点Xを有する場合がある。 When the unburned air-fuel mixture self-ignites after the start of SI combustion, the slope of the heat release rate waveform may change from small to large at the timing of self-ignition. The heat release rate waveform may have an inflection point X at the timing θci at which CI combustion starts.
CI燃焼の開始後は、SI燃焼とCI燃焼とが並行して行われる。CI燃焼は、SI燃焼よりも熱発生が大きいため、熱発生率は相対的に大きくなる。しかし、CI燃焼は、圧縮上死点後に行われるため、熱発生率の波形の傾きが大きくなりすぎることが回避される。CI燃焼時の圧力変動(dp/dθ)も、比較的穏やかになる。 After the start of CI combustion, SI combustion and CI combustion are performed in parallel. Since CI combustion generates more heat than SI combustion, the heat release rate is relatively high. However, since the CI combustion is performed after the top dead center of the compression stroke, the slope of the heat release rate waveform is prevented from becoming too large. The pressure fluctuation (dp/dθ) during CI combustion also becomes relatively mild.
圧力変動(dp/dθ)は、燃焼騒音を表す指標として用いることができる。前述の通りSPCCI燃焼は、圧力変動(dp/dθ)を小さくすることができるため、燃焼騒音が大きくなりすぎることを回避することが可能になる。エンジン1の燃焼騒音は、許容レベル以下に抑えられる。
Pressure fluctuation (dp/dθ) can be used as an index representing combustion noise. As described above, SPCCI combustion can reduce the pressure fluctuation (dp/dθ), so it is possible to avoid excessive combustion noise. Combustion noise of the
CI燃焼が終了することによって、SPCCI燃焼が終了する。CI燃焼は、SI燃焼に比べて、燃焼期間が短い。SPCCI燃焼は、SI燃焼よりも、燃焼終了時期が早まる。 The SPCCI combustion ends when the CI combustion ends. CI combustion has a shorter combustion period than SI combustion. The SPCCI combustion has an earlier combustion end timing than the SI combustion.
SPCCI燃焼の熱発生率波形は、SI燃焼によって形成された第1熱発生率部QSIと、CI燃焼によって形成された第2熱発生部QCIと、が、この順番に連続するように形成されている。 The heat release rate waveform of SPCCI combustion is formed such that the first heat release rate portion QSI formed by SI combustion and the second heat release portion QCI formed by CI combustion are continuous in this order. It is
ここで、SPCCI燃焼の特性を示すパラメータとして、SI率を定義する。SI率は、SPCCI燃焼により発生した全熱量に対し、SI燃焼により発生した熱量の割合に関係する指標と定義する。SI率は、燃焼形態の相違する二つの燃焼によって発生する熱量比率である。SI率が高いと、SI燃焼の割合が高く、SI率が低いと、CI燃焼の割合が高い。SI率は、CI燃焼により発生した熱量に対するSI燃焼により発生した熱量の比率と定義してもよい。つまり、SPCCI燃焼において、CI燃焼が開始するクランク角をCI燃焼開始時期θciとして、図4に示す波形801において、θciよりも進角側であるSI燃焼の面積QSIと、θciを含む遅角側であるCI燃焼の面積QCIとから、SI率=QSI/QCIとしてもよい。
Here, the SI rate is defined as a parameter that indicates the characteristics of SPCCI combustion. The SI rate is defined as an index related to the ratio of the amount of heat generated by SI combustion to the total amount of heat generated by SPCCI combustion. The SI rate is the heat quantity ratio generated by two combustions with different combustion modes. A high SI rate results in a high proportion of SI combustion, and a low SI rate results in a high proportion of CI combustion. The SI rate may be defined as the ratio of the amount of heat generated by SI combustion to the amount of heat generated by CI combustion. That is, in SPCCI combustion, the crank angle at which CI combustion starts is defined as the CI combustion start timing θci, and in the
(エンジンの運転領域)
図5は、エンジン1の制御に係るマップを例示している。マップは、ECU10のメモリ102に記憶されている。図5に例示するマップ504は、エンジン1の温間時のマップである。
(engine operating range)
FIG. 5 exemplifies a map related to control of the
マップ504は、エンジン1の負荷及び回転数によって規定されている。マップ504は、負荷の高低及び回転数の高低に対し、大別して三つの領域に分かれる。具体的に、三つの領域は、アイドル運転を含みかつ、低回転及び中回転の領域に広がる低負荷領域A1、低負荷領域A1よりも負荷が高い中高負荷領域A2、A3、A4、及び、低負荷領域A1、中高負荷領域A2、A3、A4よりも回転数の高い高回転領域A5である。中高負荷領域A2、A3、A4はまた、中負荷領域A2と、中負荷領域A2よりも負荷が高い高負荷中回転領域A3と、高負荷中回転領域A3よりも回転数の低い高負荷低回転領域A4とに分かれる。
The
ここで、低回転領域、中回転領域、及び、高回転領域はそれぞれ、エンジン1の全運転領域を回転数方向に、低回転領域、中回転領域及び高回転領域の略三等分にした場合の、低回転領域、中回転領域、及び、高回転領域としてもよい。図5の例では、回転数N1未満を低回転、回転数N2以上を高回転、回転数N1以上N2未満を中回転としている。回転数N1は、例えば1200rpm程度、回転数N2は、例えば4000rpm程度としてもよい。
Here, the low speed region, the middle speed region, and the high speed region are obtained by dividing the entire operating region of the
また、低負荷領域は、軽負荷の運転状態を含む領域、高負荷領域は、全開負荷の運転状態を含む領域、中負荷は、低負荷領域と高負荷領域との間の領域としてもよい。また、低負荷領域、中負荷領域、及び、高負荷領域はそれぞれ、エンジン1の全運転領域を負荷方向に、低負荷領域、中負荷領域及び高負荷領域の略三等分にした場合の、低負荷領域、中負荷領域、及び、高負荷領域としてもよい。
Also, the low load range may be a range including a light load operating state, the high load range may be a range including a fully open load operating state, and the medium load may be a range between the low load range and the high load range. In addition, the low load range, the medium load range, and the high load range each divide the entire operating range of the
図5のマップ504は、各領域における混合気の状態及び燃焼形態を示している。図5のマップ504はまた、過給機44の駆動領域及び非駆動領域と、を示している。エンジン1は、低負荷領域A1、中負荷領域A2、高負荷中回転領域A3、及び、高負荷低回転領域A4、において、SPCCI燃焼を行う。エンジン1はまた、それ以外の領域、具体的には、高回転領域A5においては、SI燃焼を行う。
A
(各領域におけるエンジンの運転)
以下、図5のマップ504の各領域におけるエンジン1の運転について詳細に説明をする。
(Engine operation in each area)
Operation of the
(低負荷領域)
エンジン1が低負荷領域A1において運転している場合に、エンジン1は、SPCCI燃焼を行う。
(Low load area)
When the
エンジン1の燃費性能を向上させるために、EGRシステム55は、燃焼室17の中にEGRガスを導入する。具体的に、吸気電動S-VT23及び排気電動S-VT24は、排気上死点付近において、吸気弁21及び排気弁22の両方を開弁するポジティブオーバーラップ期間を設ける。
The
また、スワール発生部は、燃焼室17の中に、強いスワール流を形成する。スワールコントロール弁56は、全閉又は閉じ側の所定の開度である。燃焼室17内に強いスワール流を発生させると、燃焼室17の外周部は強いスワール流れとなる一方、中央部のスワール流は相対的に弱くなる。強いスワール流が形成された燃焼室17内にインジェクタ6が燃料を噴射することにより、燃焼室17の中央部の混合気は燃料が相対的に濃く、外周部の混合気は燃料が相対的に薄くなって、混合気を成層化することができる。
Also, the swirl generator forms a strong swirl flow in the
インジェクタ6は、吸気行程中に、燃料を複数回、燃焼室17の中に噴射する。複数回の燃料噴射と、燃焼室17の中のスワール流とによって、混合気は成層化する。
The
混合気の空燃比(A/F)は、燃焼室17の全体において理論空燃比よりもリーンである(つまり、空気過剰率λ>1)。より詳細に、燃焼室17の全体において混合気のA/Fは25以上31以下である。こうすることで、RawNOxの発生を抑制することができ、排出ガス性能を向上させることができる。
The air-fuel ratio (A/F) of the air-fuel mixture is leaner than the stoichiometric air-fuel ratio throughout the combustion chamber 17 (that is, excess air ratio λ>1). More specifically, the A/F of the air-fuel mixture in the
燃料噴射の終了後、圧縮上死点前の所定のタイミングで、点火プラグ25は、燃焼室17の中央部の混合気に点火をする。点火時期は、圧縮行程の終期としてもよい。圧縮行程の終期は、圧縮行程を、初期、中期、及び終期に三等分した場合の終期としてもよい。
After the end of fuel injection, the
(中高負荷領域)
エンジン1が中高負荷領域A2~A4において運転している場合も、エンジン1は、低負荷領域A1と同様に、SPCCI燃焼を行う。
(medium and high load range)
Even when the
EGRシステム55は、燃焼室17の中にEGRガスを導入する。具体的に、吸気電動S-VT23及び排気電動S-VT24は、排気上死点付近において、吸気弁21及び排気弁22の両方を開弁するポジティブオーバーラップ期間を設ける。内部EGRガスが、燃焼室17の中に導入される。また、EGRシステム55は、EGR通路52を通じて、EGRクーラー53によって冷却した排気ガスを、燃焼室17の中に導入する。つまり、内部EGRガスに比べて温度が低い外部EGRガスを、燃焼室17の中に導入する。外部EGRガスは、燃焼室17の中の温度を、適切な温度に調節する。EGRシステム55は、エンジン1の負荷が高まるに従いEGRガスの量を減らす。EGRシステム55は、全開負荷において、内部EGRガス及び外部EGRガスを含むEGRガスを、ゼロにしてもよい。
混合気の空燃比(A/F)は、燃焼室17の全体において理論空燃比(A/F≒14.7)である。三元触媒511、513が、燃焼室17から排出された排出ガスを浄化することによって、エンジン1の排出ガス性能は良好になる。混合気のA/Fは、三元触媒の浄化ウインドウの中に収まるようにすればよい。混合気の空気過剰率λは、1.0±0.2としてもよい。尚、エンジン1が、全開負荷(つまり、最高負荷)を含む高負荷中回転領域A3において運転している場合には、混合気のA/Fは、燃焼室17の全体において理論空燃比又は理論空燃比よりもリッチにしてもよい(つまり、混合気の空気過剰率λは、λ≦1)。
The air-fuel ratio (A/F) of the air-fuel mixture in the
燃焼室17内にEGRガスを導入しているため、燃焼室17の中の全ガスと燃料との重量比であるG/Fは理論空燃比よりもリーンになる。混合気のG/Fは18以上にしてもよい。こうすることで、いわゆるノッキングの発生を抑制することができる。G/Fは18以上30以下において設定してもよい。また、G/Fは18以上50以下において設定してもよい。
Since the EGR gas is introduced into the
エンジン1の負荷が中負荷である場合に、インジェクタ6は、吸気行程中に、複数回の燃料噴射を行う。インジェクタ6は、第一噴射を吸気行程の前半に行い、第二噴射を吸気行程の後半に行ってもよい。
When the load of the
また、エンジン1の負荷が高負荷である場合に、インジェクタ6は、吸気行程において燃料を噴射する。
Further, when the load of the
点火プラグ25は、燃料の噴射後、圧縮上死点付近の所定のタイミングで混合気に点火をする。エンジン1の負荷が中負荷である場合に、点火プラグ25は、圧縮上死点前に点火を行ってもよい。エンジン1の負荷が高負荷である場合に、点火プラグ25は、圧縮上死点後に点火を行ってもよい。
The
(過給機の動作)
ここで、図5のマップ504に示すように、低負荷領域A1の一部、及び、中高負荷領域A2の一部においては、過給機44はオフである(S/C OFF参照)。詳細には、低負荷領域A1における低回転側の領域において、過給機44はオフである。低負荷領域A1における高回転側の領域においては、エンジン1の回転数が高くなることに対応して必要な吸気充填量を確保するために、過給機44はオンである。また、中高負荷領域A2における低負荷低回転側の一部の領域において、過給機44はオフである。中高負荷領域A2における高負荷側の領域においては、燃料噴射量が増えることに対応して必要な吸気充填量を確保するために、過給機44はオンである。また、中高負荷領域A2における高回転側の領域においても過給機44はオンである。
(Operation of supercharger)
Here, as shown in the
尚、高負荷中回転領域A3、高負荷低回転領域A4、及び、高回転領域A5の各領域においては、その全域において過給機44がオンである(S/C ON参照)。
Note that the
(高回転領域)
エンジン1の回転数が高いと、クランク角が1°変化するのに要する時間が短くなる。燃焼室17内において混合気を成層化することが困難になる。エンジン1の回転数が高くなると、SPCCI燃焼を行うことが困難になる。
(high rotation area)
When the rotation speed of the
そこで、エンジン1が高回転領域A5において運転している場合に、エンジン1は、SPCCI燃焼ではなく、SI燃焼を行う。尚、高回転領域A5は、低負荷から高負荷まで負荷方向の全域に広がっている。
Therefore, when the
EGRシステム55は、燃焼室17の中にEGRガスを導入する。EGRシステム55は、負荷が高まるに従いEGRガスの量を減らす。EGRシステム55は、全開負荷では、EGRガスをゼロにしてもよい。
スワールコントロール弁56は、全開である。燃焼室17内にはスワール流が発生せず、タンブル流のみが発生する。スワールコントロール弁56を全開にすることによって、充填効率を高めることができると共に、ポンプ損失を低減することが可能になる。
混合気の空燃比(A/F)は、基本的には、燃焼室17の全体において理論空燃比(A/F≒14.7)である。混合気の空気過剰率λは、1.0±0.2とすればよい。尚、エンジン1が全開負荷の付近において運転している場合には、混合気の空気過剰率λは1未満であってもよい。
The air-fuel ratio (A/F) of the air-fuel mixture is basically the stoichiometric air-fuel ratio (A/F≈14.7) in the
インジェクタ6は、吸気行程中に燃料噴射を開始する。インジェクタ6は、燃料を一括で噴射する。吸気行程中に燃料噴射を開始することによって、燃焼室17の中に、均質又は略均質な混合気が形成される。また、燃料の気化時間を長く確保することができるため、未燃損失の低減を図ることもできる。
The
点火プラグ25は、燃料の噴射終了後、圧縮上死点前の適宜のタイミングで、混合気に点火を行う。
The
(エンジンの基本制御)
図6は、ECU10が実行をするエンジン1の基本制御のフローを示している。ECU10は、メモリ102に記憶している制御ロジックに従いエンジン1を運転する。具体的にECU10は、各センサSW1~SW17の信号に基づいて、エンジン1の運転状態を判断すると共に、目標トルクを設定し、エンジン1が目標トルクを出力するように、燃焼室17の中の状態量の調節、噴射量の調節、噴射タイミングの調節、及び、点火時期の調節を行うための演算を行う。
(Engine basic control)
FIG. 6 shows a flow of basic control of the
ECU10はまた、SPCCI燃焼を行う場合には、SI率とθciとの二つのパラメータを用いてSPCCI燃焼をコントロールする。具体的にECU10は、エンジン1の運転状態に対応する目標SI率及び目標θciを定め、実際のSI率が目標SI率に一致しかつ、実際のθciが目標θciとなるように、燃焼室17内の温度の調節と、点火時期の調節とを行う。ECU10は、エンジン1の負荷が低い場合には、目標SI率を低く設定し、エンジン1の負荷が高い場合には、目標SI率を高く設定する。エンジン1の負荷が低い場合には、SPCCI燃焼におけるCI燃焼の割合を高めることによって、燃焼騒音の抑制と燃費性能の向上とが両立する。エンジン1の負荷が高い場合には、SPCCI燃焼におけるSI燃焼の割合を高めることによって、燃焼騒音の抑制に有利になる。
When performing SPCCI combustion, the
図6のフローのステップS121において、ECU10は、各センサSW1~SW17の信号を読み込み、続くステップS122において、ECU10は、アクセル開度に基づいて目標加速度を設定する。ステップS123において、ECU10は、設定した目標加速度を実現するために必要な目標トルクを設定する。
In step S121 of the flow of FIG. 6, the
ステップS124において、ECU10はエンジン1の運転状態を判断し、混合気の空燃比が理論空燃比又は略理論空燃比であるか(つまり、空気過剰率λ=1)であるか否かを判定する。λ=1である場合には、プロセスは、ステップS125に進み、λ≠1である場合には、プロセスは、ステップS129に進む。
In step S124, the
ステップS125~ステップS128は、エンジン1が、中負荷領域A2、高負荷中回転領域A3、高負荷低回転領域A4、及び、高回転領域A5において運転する場合に、各デバイスの制御目標値を設定するステップに相当する。ステップS125において、ECU10は、設定した目標トルクに基づいて、点火プラグ25の目標点火時期を設定する。続くステップS126において、ECU10は、設定した目標トルクに基づいて、燃焼室17内に充填する目標空気量を設定する。ステップS127において、ECU10は、設定した目標空気量に基づいて、混合気の空燃比が理論空燃比又は略理論空燃比になるよう、燃料の目標噴射量を設定する。そして、ステップS128において、ECU10は、設定した目標空気量に基づいて、スロットル弁43の目標スロットル開度、スワールコントロール弁56の目標SCV開度、EGR弁54の目標EGR弁開度、並びに、吸気電動S-VT23の目標S-VT位相及び排気電動S-VT24の目標S-VT位相を設定する。
Steps S125 to S128 set control target values for each device when the
ステップS129~ステップS1212は、エンジン1が低負荷領域A1において運転する場合に、各デバイスの制御目標値を設定するステップに相当する。ステップS129において、ECU10は、設定した目標トルクに基づいて、点火プラグ25の目標点火時期を設定する。続くステップS1210において、ECU10は、設定した目標トルクに基づいて、燃料の目標噴射量を設定する。ステップS1211において、ECU10は、設定した目標噴射量に基づいて、混合気の空燃比が所定のリーン空燃比になるよう、燃焼室17内に充填する目標空気量を設定する。混合気の空燃比は、前述したように、25~31の間である。そして、ステップS1212において、ECU10は、設定した目標空気量に基づいて、スロットル弁43の目標スロットル開度、スワールコントロール弁56の目標SCV開度、EGR弁54の目標EGR弁開度、並びに、吸気電動S-VT23の目標S-VT位相及び排気電動S-VT24の目標S-VT位相を設定する。
Steps S129 to S1212 correspond to steps for setting control target values for each device when the
ステップS1213においてECU10は、ステップS128又はステップS1212において設定した目標値となるように、スロットル弁43のスロットル開度、スワールコントロール弁56のSCV開度、EGR弁54のEGR弁開度、並びに、吸気電動S-VT23のS-VT位相及び排気電動S-VT24のS-VT位相を調節する。
In step S1213, the
ステップS1214において、ECU10は、設定した目標噴射量に従い、インジェクタ6に所定のタイミングで燃料を噴射させる。続くステップS1215において、ECU10は、設定した目標点火時期に点火プラグ25に点火を実行させる。目標点火時期の設定については、後述する。
In step S1214, the
(目標点火時期の設定)
SPCCI燃焼及びSI燃焼は、点火プラグ25の点火時期を進角すると、混合気が燃焼する時期が進角をする。燃焼時期が進角すると、エンジン1の熱効率の向上に有利になる。
(Setting of target ignition timing)
In SPCCI combustion and SI combustion, when the ignition timing of the
SPCCI燃焼は、点火時期を進角させると、CI燃焼の割合が多くなる。SPCCI燃焼におけるCI燃焼の割合が多くなると、燃焼騒音が大きくなる。また、点火時期が進角し過ぎると、異常燃焼の発生によりエンジンの信頼性が低下する恐れもある。そこで、ECU10は、SPCCI燃焼を行う場合、燃焼騒音指標が許容値に収まる範囲で、点火時期を進角側に設定する。
In SPCCI combustion, the proportion of CI combustion increases as the ignition timing is advanced. Combustion noise increases as the proportion of CI combustion in SPCCI combustion increases. Further, if the ignition timing is advanced too much, abnormal combustion may occur, which may reduce the reliability of the engine. Therefore, when performing SPCCI combustion, the
図7は、mfb50と、燃焼騒音指標であるcplfとの関係を例示している。SPCCI燃焼は、前述したように、点火プラグ25の点火によって一部の混合気が火炎伝播を伴う燃焼を開始した後、残りの混合気が自己着火によって燃焼する。SPCCI燃焼において、点火時期から自己着火を開始するまでの期間は、燃焼室17内の状態等に応じて変化する。SPCCI燃焼は、点火時期が同じであっても、燃焼波形が変化する場合がある。SPCCI燃焼は、点火時期とcplfとの相関が低い。
FIG. 7 illustrates the relationship between mfb50 and cplf, which is a combustion noise index. In the SPCCI combustion, as described above, the
それに対し、SPCCI燃焼は、図7に示すように、mfb50とcplfとの相関が高い。つまり、mfb50が進角すると、cplfは大きくなる。 In contrast, SPCCI combustion has a high correlation between mfb50 and cplf, as shown in FIG. That is, when mfb50 advances, cplf increases.
mfb50が遅すぎるような燃焼は、混合気は自己着火による燃焼を開始しないで火炎伝播による燃焼(SI燃焼)のみを行う。mfb50が進角すると、混合気は自己着火による燃焼を開始する。つまり、混合気はSPCCI燃焼する。混合気がSPCCI燃焼を行う場合、mfb50の最遅角位置が、燃焼室17内の状態等に応じて定まる(自己着火mfb50(最遅角))。最遅角位置よりもmfb50が遅い燃焼は、自己着火による燃焼が開始しないSI燃焼のみになる。mfb50の最遅角位置は、燃焼室17内の状態等が変わると、変化する(図7の破線の矢印参照)。
Combustion such that mfb50 is too slow, the air-fuel mixture does not initiate combustion by auto-ignition, but only burns by flame propagation (SI combustion). When mfb 50 advances, the air-fuel mixture begins to self-ignite. That is, the air-fuel mixture is SPCCI-burned. When the air-fuel mixture performs SPCCI combustion, the most retarded position of mfb50 is determined according to the state in the combustion chamber 17 (self-ignition mfb50 (most retarded angle)). Combustion with mfb50 later than the most retarded position is only SI combustion in which combustion by self-ignition does not start. The most retarded position of
混合気がSI燃焼する場合は、mfb50の進角量に対するcplfの増大量は、相対的に小さい。つまり、図7に示す、mfb50の最遅角位置よりも右側の直線の傾きは小さい。CI燃焼は、SI燃焼よりも燃焼騒音が大きい。混合気がSPCCI燃焼する場合は、mfb50の進角量に対するcplfの増大量は、相対的に大きい。つまり、図7に示す、mfb50の最遅角位置よりも左側の直線の傾きは大きい。SPCCI燃焼は、SI燃焼とは、燃焼騒音に関する特性が異なる。
When the air-fuel mixture undergoes SI combustion, the amount of increase in cplf relative to the advance amount of mfb50 is relatively small. That is, the slope of the straight line to the right of the most retarded position of
図7の破線は、cplfの制限値を例示している。cplfの制限値は、商品性を考慮して、自動車の走行速度や、エンジン1の回転数及び負荷等に基づいて定まる。
The dashed line in FIG. 7 illustrates the limiting value of cplf. The limit value of cplf is determined based on the running speed of the vehicle, the number of rotations of the
mfb50は、cplfの制限値を超えない範囲で、進角させることができる。図7の実線と破線との交点が、mfb50の目標値である。mfb50の目標値が定まれば、ECU10は、mfb50が目標値となるように点火時期を定めることができる。
mfb50 can be advanced within a range not exceeding the limit value of cplf. The intersection of the solid line and the dashed line in FIG. 7 is the target value of mfb50. Once the target value of mfb50 is determined, the
図8は、ECU10の機能ブロックの構成を示している。図8に示す機能ブロックは、点火時期の設定に関係する。機能ブロックは、cplf目標値設定部10a、mfb50推定部10b、cplf推定部10c、目標mfb50算出部10d、点火時期設定部10e、CI影響割合算出部10f、cplf算出部10g、mfb50算出部10hを含んでいる。
FIG. 8 shows the configuration of functional blocks of the
cplf目標値設定部10a、mfb50推定部10b、cplf推定部10c、目標mfb50算出部10d、及び点火時期設定部10eは、センサSW1~SW17の計測信号に基づいて、点火時期を設定する機能ブロックである。これらの機能ブロックは、フィードフォワード制御により点火時期を設定する。
The cplf target
CI影響割合算出部10f、cplf算出部10g、及びmfb50算出部10hは、筒内圧センサSW6の計測信号に基づいて、後述するモデルや関係式の補正を行う機能ブロックである。これらの機能ブロックは、フィードバック制御によって、点火時期の設定に関与する。
The CI influence
cplf目標値設定部10aは、cplfの制限値から、cplfの目標値を設定する。cplf目標値設定部10aは、cplfの制限値を、前述したように、センサSW1~SW17の計測信号から得られる、自動車の走行速度やエンジン1の回転数及び負荷等に基づいて設定する。cplf目標値設定部10aは、cplfの制限値をそのまま、cplfの目標値に設定してもよい(図10参照)。また、cplf目標値設定部10aは、cplfの制限値とは異なるcplfの目標値を設定してもよい。cplf目標値設定部10aは、図9に示すように、混合気の燃焼により生じるcplfのばらつきを考慮し、cplfの制限値を超えることが無いように、cplfの目標値を、cplfの制限値よりも小さい値に設定してもよい(図9の矢印参照)。具体的にcplf目標値設定部10aは、これまでに蓄積をしたcplfの計測データを利用して、cplfの制限値が、例えば3σとなるように、cplfの目標値を定めてもよい。
The cplf target
mfb50推定部10bは、前述したmfb50の最遅角位置を推定する。mfb50推定部10bは、具体的には、混合気の自己着火モデルと、燃焼室17内の圧力変化の関係式とに基づいて、mfb50の最遅角位置を推定する。
The
混合気の自己着火モデルは、式(1)で表される。自己着火モデルは、アレニウスの式をベースにしたモデル式である。 A self-ignition model of air-fuel mixture is represented by Equation (1). The autoignition model is a model formula based on the Arrhenius formula.
TCI
A ×PCI
B×(O2_rate)C ×φD /time=1 …(1)
但し、TCIは混合気が自己着火する時の燃焼室17内の温度、PCIは混合気が自己着火する時の燃焼室17内の圧力、O2_rateは燃焼室17内の酸素濃度、φは混合気の当量比、timeは時間、A、B、C、Dはそれぞれ定数、である。
T CI A × P CI B × (O2_rate) C × φ D /time = 1 (1)
However, T CI is the temperature in the
O2_rateは、燃焼室17内に導入される新気及びEGRガスの量に基づいて定まる。φは、燃焼室17内に導入される新気、EGRガス、及び燃料の量に基づいて定まる。timeは、エンジン1の回転数から定まる。
O2_rate is determined based on the amounts of fresh air and EGR gas introduced into the
燃焼室内の圧力変化の関係式は、式(2)で表される。 A relational expression of the pressure change in the combustion chamber is represented by Equation (2).
PCI=PBDC×(VBDC/VCI)κ+Q×(κ-1)/VCI …(2)
但し、PBDCは吸気下死点時の燃焼室内の圧力、VBDCは吸気下死点時の燃焼室内の体積、VCIは混合気が自己着火する時の燃焼室内の体積、Qは混合気の燃焼により発生する熱量、κは混合気の比熱比である。PBDCは、サージタンク42に取り付けられた第2圧力センサSW5の計測信号に基づいて定まる。Qは、ECU10が記憶している燃焼モデルから定まる。κは燃焼室17内のガス組成に基づいて定まる。
PCI = P BDC × (V BDC /V CI ) κ + Q × (κ - 1) / V CI … (2)
However, P BDC is the pressure in the combustion chamber at intake bottom dead center, V BDC is the volume in the combustion chamber at intake bottom dead center, V CI is the volume in the combustion chamber when the air-fuel mixture self-ignites, and Q is the air-fuel mixture. is the specific heat ratio of the air-fuel mixture. P BDC is determined based on the measurement signal of the second pressure sensor SW5 attached to the
mfb50推定部10bは、式(1)及び(2)から、燃焼室17内の混合気が自己着火を開始する時点の燃焼室17の体積VCIを推定する。VCIの推定時には、例えば1次近似を利用してもよい。
The
体積VCIを推定すれば、当該SPCCI燃焼の燃焼波形を定めることができる。燃焼波形が定まれば、mfb50が定まる。つまり、mfb50推定部10bは、体積VCIを推定し、推定した体積VCIから、mfb50を推定する。推定したmfb50は、混合気がSPCCI燃焼を行う場合の、mfb50の最遅角位置である(図9の上図91の自己着火mfb50(最遅角)を参照)。
By estimating the volume VCI, the combustion waveform of the SPCCI combustion can be determined. Once the combustion waveform is determined, mfb50 is determined. That is, the
cplf推定部10cは、mfb50推定部10bが推定したmfb50の最遅角位置におけるcplfを推定する(図9の上図91の「推定cplf」を参照)。mfb50の最遅角位置での燃焼は、SPCCI燃焼におけるCI燃焼分が少ない燃焼である。mfb50の最遅角位置での燃焼時のcplfは、混合気がSPCCI燃焼ではなく、SI燃焼をしたと仮定して推定することができる。cplf推定部10cは、SI燃焼時のcplfを、SI燃焼時の燃焼波形に基づいて算出する。SI燃焼時の燃焼波形は、例えばシミュレーションによって、又は、実際の燃焼データから取得することができる。より具体的に、cplfは、燃焼室17内の圧力変化(dp/dt)との相関が高い。そこで、cplf推定部10cは、SI燃焼時のmfb10とmfb50との区間における熱発生Qの変化率((0.5Q-0.1Q)/(mfb50-mfb10))と、燃焼室17の体積Vと、エンジン回転数に基づく時間と、から、dp/dtを算出すると共に、算出したdp/dtからcplfを推定する。
The cplf estimator 10c estimates the cplf at the most retarded position of mfb50 estimated by the
目標mfb50算出部10dは、cplf目標値設定部10aが設定したcplfの目標値と、cplf推定部10cが推定したmfb50の最遅角位置におけるcplfと、に基づいてmfb50の目標値を算出する。目標mfb50算出部10dは、mfb50の最遅角位置に対して、mfb50を進角させることが可能な進角量を算出する。
The target mfb50 calculation unit 10d calculates the target value of mfb50 based on the target value of cplf set by the target cplf
前述したように、cplfは燃焼室17内の圧力変化(dp/dt)との相関が高い。mfb50が進角すると、mfb50時点での燃焼室17の体積が小さくなり、燃焼室17内の圧力変化も大きくなる。従って、最遅角位置におけるmfb50時点の燃焼室17の体積に対する、当該最遅角位置よりもmfb50が進角した燃焼におけるmfb50時点の燃焼室17の体積の比(以下、これを体積比という)と、cplfとの間には、図9の下図92に示すように相関がある。つまり、体積比が小さくなると、cplfは大きくなる。尚、mfb50の最遅角位置に応じて、体積比とcplfとの相関関係は変化する。つまり、mfb50の最遅角位置に応じて、図9の下図92の直線の傾きは変化する。
As described above, cplf has a high correlation with the pressure change (dp/dt) inside the
目標mfb50算出部10dは、cplfの目標値と、推定cplfと、体積比とに基づいて、図9に実線の矢印で示すように、cplfの目標値を満足する体積比を算出する。目標mfb50算出部10dは、当該体積比を目標のmfb50に変換する。 The target mfb50 calculation unit 10d calculates a volume ratio that satisfies the target value of cplf, as indicated by the solid arrow in FIG. 9, based on the target value of cplf, the estimated cplf, and the volume ratio. The target mfb50 calculator 10d converts the volume ratio into a target mfb50.
尚、図9の上図91のmfb50とcplfとの関係をデータ化して記憶しておき、目標mfb50算出部10dは、cplfの目標値と、mfb50の最遅角位置におけるcplfと、mfb50とcplfとの関係と、に基づいて、cplfの目標値を算出してもよい。 Note that the relationship between mfb50 and cplf in the upper diagram 91 of FIG. The target value of cplf may be calculated based on the relationship between and.
また、目標mfb50算出部10dは、cplf目標値設定部10aが、cplfの制限値をcplfの目標値に設定した場合は、図10の上図93及び下図94に例示するように、mfb50のばらつきを考慮して、mfb50の目標値を遅角側に設定してもよい。目標mfb50算出部10dは、これまでに蓄積をしたmfb50の計測データを利用して、cplfの制限値に従い定まる目標mfb50が、例えば3σとなるように、mfb50の目標値を定めてもよい。
Further, when the cplf target
点火時期設定部10eは、目標mfb50算出部10dが算出したmfb50の目標値に基づいて、混合気の燃焼が目標のmfb50となるように、点火時期を定める。点火時期が進角すると、mfb50も進角する。点火時期設定部10eは、設定した点火時期に従って、点火プラグ25に点火信号を出力する。
Based on the target value of mfb50 calculated by the target mfb50 calculation unit 10d, the ignition
CI影響割合算出部10fは、筒内圧センサSW6の計測信号に基づいて、燃焼室17内の燃焼がSPCCI燃焼であったか、又は、SI燃焼であったかを判断する。CI影響割合算出部10fはまた、燃焼がSPCCI燃焼であった場合には、当該燃焼におけるCI燃焼の影響割合を算出する。
The CI
図11の上図111は、燃焼がSPCCI燃焼であった場合のクランク角に対する熱発生率dq/dθの変化(実線)と、混合気が自己着火せず、燃焼がSI燃焼であった場合のクランク角に対する熱発生率dq/dθの変化(実線及び一点鎖線)と、を例示している。図11の下図112は、燃焼がSPCCI燃焼であった場合のクランク角に対する熱発生Qの変化(実線)と、燃焼がSI燃焼であった場合のクランク角に対する熱発生Qの変化(実線及び一点鎖線)と、を例示している。
The upper diagram 111 in FIG. 11 shows the change in the heat release rate dq/dθ with respect to the crank angle (solid line) when the combustion is SPCCI combustion, and the change when the mixture does not self-ignite and the combustion is SI combustion. change in heat release rate dq/dθ with respect to crank angle (solid line and dashed line). The
SPCCI燃焼は、点火により火炎伝播による燃焼が開始した後、θciにおいて、混合気が自己着火し、自己着火による燃焼が行われる。図11の上図111に示すように、SPCCI燃焼における熱発生率(dq/dθ)の波形は、SI燃焼による熱発生の山に、CI燃焼による熱発生の山が積み重なったような形状になる。図11の下図112に示すように、SPCCI燃焼における熱発生の変化は、θciよりも前と、θciよりも後とで、傾きが変わる。 In the SPCCI combustion, after combustion by flame propagation is started by ignition, the air-fuel mixture self-ignites at θci, and combustion by self-ignition is performed. As shown in the upper diagram 111 of FIG. 11, the waveform of the heat release rate (dq/dθ) in SPCCI combustion has a shape in which the heat release peaks due to SI combustion and the heat release peaks due to CI combustion are stacked. . As shown in the lower diagram 112 of FIG. 11, the change in heat release in SPCCI combustion changes in slope before θci and after θci.
CI影響割合算出部10fは、mfb10からmfb50までの期間における熱発生Qの傾きと、mfb10からdq/dθmax(つまり、dq/dθが最大となるクランク角)までの期間における熱発生Qの傾きとを比較することにより、燃焼室17内の燃焼がSPCCI燃焼であったか、又は、SI燃焼であったかを判断する。
The CI influence
mfb10からmfb50までの期間における熱発生Qの傾きは、下式(3)で表され、mfb10からdq/dθmaxまでの期間における熱発生Qの傾きは、下式(4)で表される。 The slope of heat release Q in the period from mfb10 to mfb50 is expressed by the following formula (3), and the slope of heat release Q in the period from mfb10 to dq/dθmax is expressed by the following formula (4).
((0.5Q-0.1Q)/(mfb50-mfb10)) …(3)
((dq/dθmaxQ-0.1Q)/(dq/dθmax-mfb10)) …(4)
SI燃焼であれば、式(3)の値と式(4)の値とは、ほぼ等しくなる。これに対し、SPCCI燃焼であれば、式(4)の値は、式(3)の値よりも大きくなる。
((0.5Q-0.1Q)/(mfb50-mfb10)) …(3)
((dq/dθmaxQ-0.1Q)/(dq/dθmax-mfb10)) …(4)
In the case of SI combustion, the values of equations (3) and (4) are approximately equal. On the other hand, for SPCCI combustion, the value of equation (4) is greater than the value of equation (3).
CI影響割合算出部10fは、式(3)と式(4)との比
((dq/dθmaxQ-0.1Q)/(dq/dθmax-mfb10))/((0.5Q-0.1Q)/(mfb50-mfb10))
が1を超えるのであれば、燃焼室17内の燃焼がSPCCI燃焼であったと判断する。また、前記比が大きいほど、CI影響割合算出部10fは、SPCCI燃焼におけるCI燃焼の影響が大きいと判断する。前記比の値は、SPCCI燃焼におけるCI燃焼の影響を示すCI影響割合である。
The CI influence
exceeds 1, it is determined that the combustion in the
cplf算出部10gは、燃焼室17内の燃焼がSPCCI燃焼であった場合に、筒内圧センサSW6の計測信号に基づいて実際のcplf(つまり、実測cplf。図12参照)を算出する。cplf算出部10gはまた、実測cplfに基づいて、mfb50とcplfとの関係(図9の上図91)、換言すると体積比とcplfとの関係(図9の下図92)を補正する。具体的に、cplf算出部10gは、目標mfb50算出部10dが目標mfb50を算出した手順とは逆の手順に従い、算出した実測cplfと、CI影響割合と、計測したmfb10及びmfb50とから、mfb50の最遅角位置におけるcplfを算出する(図12の矢印参照)。cplf算出部10gは、実測値に基づく、mfb50の最遅角位置におけるcplfと、cplf推定部10cが推定したmfb50の最遅角位置におけるcplfとを比較する。cplf算出部10gは、cplfのずれに応じて、mfb50とcplfとの関係、つまり、図9の下図92における直線を、ずれに応じて上下左右にオフセットする補正を行う(図12の矢印参照)。
The
mfb50算出部10hは、燃焼室17内の燃焼がSPCCI燃焼であった場合に、筒内圧センサSW6の計測信号に基づいて実際のmfb50(つまり、実測mfb50。図12参照)を算出する。mfb50算出部10hはまた、算出した実測mfb50に基づいて、mfb50推定部10bにおいて使用する自己着火モデルを補正する。
The mfb50 calculator 10h calculates the actual mfb50 (that is, the measured mfb50; see FIG. 12) based on the measurement signal of the in-cylinder pressure sensor SW6 when the combustion in the
自己着火モデルの補正は、mfb50のずれが筒内温度のずれによって生じたと仮定して、自己着火モデルの温度に関係するパラメータを補正することにより行う。具体的に、mfb50算出部10hは、目標mfb50算出部10dが目標mfb50を算出した手順とは逆の手順に従って、実測mfb50と、CI影響割合とから、mfb50の最遅角位置における燃焼室17の体積を算出する。mfb50算出部10hは、実測値に基づく、mfb50の最遅角位置における体積を使って、自己着火モデルを温度について解き、mfb50推定部10bが推定したmfb50の最遅角位置における温度とのずれを、自己着火モデルに反映する。 Correction of the autoignition model is performed by assuming that the deviation of mfb50 is caused by the deviation of the in-cylinder temperature, and correcting the temperature-related parameters of the autoignition model. Specifically, the mfb50 calculation unit 10h follows a procedure opposite to the procedure in which the target mfb50 calculation unit 10d calculates the target mfb50. Calculate the volume. The mfb50 calculation unit 10h solves the self-ignition model for temperature using the volume at the most retarded angle position of mfb50 based on the actual measurement value, and calculates the difference from the temperature at the most retarded angle position of mfb50 estimated by the mfb50 estimation unit 10b. , to reflect the autoignition model.
(点火制御の手順)
図13は、ECU10が実行する点火プラグ25の点火制御に係る手順を示すフローチャートである。スタート後のステップS1において、ECU10は、各センサSW1~SW17の検知信号を読み込む。ステップS1の後、ECU10は、ステップS2~S7のプロセスと、ステップS8~S10のプロセスとを並行して実行する。
(Ignition control procedure)
FIG. 13 is a flowchart showing a procedure related to ignition control of the
ステップS2においてcplf目標値設定部10aは、前述したように、自動車の走行状態、及び/又は、エンジン1の運転状態に基づいて、cplfの目標値を定める。続くステップS3においてmfb50推定部10bは、混合気がSPCCI燃焼を行う場合の、mfb50の最遅角位置を、自己着火モデルに基づいて推定する。
In step S2, the cplf target
ステップS4においてcplf推定部10cは、ステップS3で推定したmfb50の最遅角位置におけるcplfを推定し、続くステップS5で目標mfb50算出部は、ステップS2で設定したcplfの目標値と、ステップS3で推定した最遅角位置でのcplfとから、mfb50の目標値を算出する。 In step S4, the cplf estimation unit 10c estimates cplf at the most retarded position of mfb50 estimated in step S3. The target value of mfb50 is calculated from the estimated cplf at the most retarded position.
ステップS6において点火時期設定部10eは、ステップS5で算出したmfb50の目標値から点火時期を設定する。そして、ステップS7において点火時期設定部10eは、点火プラグ25に点火信号を出力する。点火プラグ25は、点火信号に従って、燃焼室17内の混合気に点火する。
In step S6, the ignition
ステップS8においてCI影響割合算出部10fは、混合気がSPCCI燃焼をしたか否かを判断すると共に、SPCCI燃焼をした場合は、CI影響割合を算出する。続くステップS9においてmfb50算出部10hは、筒内圧センサSW6の計測信号に基づいて計測されたmfb50と、CI影響割合とからmfb50の最遅角位置を算出する。ステップS9で算出したmfb50の最遅角位置と、ステップS3で推定したmfb50の最遅角位置とのずれに基づいて、ECU10は、自己着火モデルを補正する。
In step S8, the CI influence
続くステップS10においてcplf算出部10gは、筒内圧センサSW6の計測信号に基づいて計測したcplfと、CI影響割合と、計測したmfb10及びmfb50と、に基づいて、最遅角位置でのcplfを算出する。ECU10は、ステップS10で算出したcplfと、ステップS4で推定したcplfとのずれに応じて、体積比とcplfとの関係を補正する。
In subsequent step S10, the
尚、ここに開示する技術は、前述した構成のエンジン1に適用することに限定されない。エンジン1の構成は、様々な構成を採用することが可能である。
Note that the technology disclosed herein is not limited to application to the
1 エンジン
10 ECU(制御部)
10a cplf目標値設定部
10b mfb50推定部
10c cplf推定部
10d 目標mfb50算出部
10e 点火時期設定部
17 燃焼室
25 点火プラグ(点火部)
SW1 エアフローセンサ(計測部)
SW2 第1吸気温度センサ(計測部)
SW3 第1圧力センサ(計測部)
SW4 第2吸気温度センサ(計測部)
SW5 第2圧力センサ(計測部)
SW6 筒内圧センサ(計測部)
SW7 排気温度センサ(計測部)
SW8 リニアO2センサ(計測部)
SW9 ラムダO2センサ(計測部)
SW10 水温センサ(計測部)
SW11 クランク角センサ(計測部)
SW12 アクセル開度センサ(計測部)
SW13 吸気カム角センサ(計測部)
SW14 排気カム角センサ(計測部)
SW15 EGR差圧センサ(計測部)
SW16 燃圧センサ(計測部)
SW17 第3吸気温度センサ(計測部)
1
10a cplf target
SW1 Airflow sensor (measurement part)
SW2 1st intake air temperature sensor (measurement part)
SW3 1st pressure sensor (measurement part)
SW4 2nd intake air temperature sensor (measurement part)
SW5 2nd pressure sensor (measurement part)
SW6 In-cylinder pressure sensor (measurement part)
SW7 Exhaust temperature sensor (measurement part)
SW8 Linear O2 sensor (measurement unit)
SW9 Lambda O2 sensor (measurement unit)
SW10 water temperature sensor (measuring part)
SW11 Crank angle sensor (measurement part)
SW12 accelerator opening sensor (measurement part)
SW13 intake cam angle sensor (measurement part)
SW14 Exhaust cam angle sensor (measurement part)
SW15 EGR differential pressure sensor (measurement part)
SW16 Fuel pressure sensor (measurement part)
SW17 3rd intake air temperature sensor (measurement part)
Claims (5)
エンジンの運転に関係するパラメータの計測信号を出力する計測部と、
前記計測部の計測信号を受けて演算を行うと共に、当該演算結果に基づく点火信号を、前記点火部に出力する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記点火部の点火によって一部の混合気が火炎伝播を伴う燃焼を開始した後、残りの混合気が自己着火によって燃焼する部分自己着火燃焼が行われるよう、前記点火部に前記点火信号を出力し、
前記制御部は、
前記計測部の計測信号に基づいて燃焼騒音指標(cplf)の目標値を設定する目標値設定部と、
質量燃焼割合50%となるクランク角(mfb50)であって、前記混合気が部分自己着火燃焼を行う場合にとり得るmfb50の最遅角位置を、混合気の自己着火モデルに基づいて推定するmfb50推定部と、
前記mfb50推定部が推定した、mfb50の最遅角位置での燃焼時の、cplfを推定するcplf推定部と、
前記目標値設定部が設定したcplfの目標値、cplf推定部が推定したcplfの推定値、及び、予め定めたmfb50とcplfとの関係、に基づいて、cplfの目標値を満足する燃焼のmfb50を算出する目標mfb50算出部と、
前記目標mfb50算出部が算出した目標のmfb50となる点火時期を設定し、設定した点火時期に対応する点火信号を出力する点火時期設定部と、
を有しているエンジンの燃焼制御装置。 an ignition unit facing a combustion chamber of an engine mounted on an automobile and igniting an air-fuel mixture in the combustion chamber based on an ignition signal;
a measurement unit that outputs measurement signals of parameters related to the operation of the engine;
A control unit that receives a measurement signal from the measurement unit and performs calculation, and outputs an ignition signal based on the calculation result to the ignition unit,
The control unit causes the ignition unit to perform partial self-ignition combustion in which the remaining mixture burns by self-ignition after a part of the mixture starts combustion with flame propagation by ignition of the ignition unit. outputting the ignition signal;
The control unit
a target value setting unit that sets a target value of a combustion noise index (cplf) based on the measurement signal of the measurement unit;
mfb50 estimation for estimating the most retarded angle position of mfb50 that can be taken when the air-fuel mixture performs partial self-ignition combustion at the crank angle (mfb50) at which the mass combustion ratio is 50% , based on the self-ignition model of the air-fuel mixture Department and
a cplf estimation unit for estimating the cplf during combustion at the most retarded position of the mfb50 estimated by the mfb50 estimation unit;
mfb50 of combustion that satisfies the target value of cplf based on the target value of cplf set by the target value setting unit, the estimated value of cplf estimated by the cplf estimating unit, and the predetermined relationship between mfb50 and cplf a target mfb50 calculator that calculates
an ignition timing setting unit that sets an ignition timing that provides the target mfb50 calculated by the target mfb50 calculation unit and outputs an ignition signal corresponding to the set ignition timing;
A combustion control device for an engine having
前記目標mfb50算出部は、燃焼室の体積比(mfb50が前記最遅角位置よりも進角した燃焼におけるmfb50時点の燃焼室の体積/前記mfb50の最遅角位置におけるmfb50時点の燃焼室の体積)と、cplfとの関係に基づいて、cplfの目標値を満足する燃焼のmfb50を算出するエンジンの燃焼制御装置。 In the engine combustion control device according to claim 1,
The target mfb50 calculator calculates the volume ratio of the combustion chamber (the volume of the combustion chamber at mfb50 in combustion in which mfb50 is advanced from the most retarded position / the volume of the combustion chamber at mfb50 in the most retarded position of mfb50 ) and cplf, a combustion control device for an engine that calculates mfb50 of combustion that satisfies a target value of cplf.
前記計測部は、前記燃焼室内の圧力変化に対応する計測信号を出力する筒内圧センサを含み、
前記制御部は、前記筒内圧センサの計測信号に基づいて混合気が部分着火燃焼を行った否かを判断すると共に、部分着火燃焼を行った場合には、前記筒内圧センサの計測信号に基づいて計測した実際のmfb50を用いて、前記自己着火モデルを補正するエンジンの燃焼制御装置。 In the engine combustion control device according to claim 1 or 2,
The measurement unit includes a cylinder pressure sensor that outputs a measurement signal corresponding to pressure changes in the combustion chamber,
The control unit determines whether or not the air-fuel mixture undergoes partial ignition combustion based on the measurement signal of the in-cylinder pressure sensor. A combustion control device for an engine that corrects the autoignition model using the actual mfb50 measured by
前記計測部は、前記燃焼室内の圧力変化に対応する計測信号を出力する筒内圧センサを含み、
前記制御部は、前記筒内圧センサの計測信号に基づいて混合気が部分着火燃焼を行った否かを判断すると共に、部分着火燃焼を行った場合には、前記筒内圧センサの計測信号に基づいて計測した実際のcplfを用いて、前記mfb50とcplfとの関係を補正するエンジンの燃焼制御装置。 In the engine combustion control device according to claim 1 or 2,
The measurement unit includes a cylinder pressure sensor that outputs a measurement signal corresponding to pressure changes in the combustion chamber,
The control unit determines whether or not the air-fuel mixture undergoes partial ignition combustion based on the measurement signal of the in-cylinder pressure sensor. A combustion control device for an engine that corrects the relationship between mfb50 and cplf using the actual cplf measured by
前記mfb50推定部は、
混合気の自己着火モデル TCI A ×PCI B×(O2_rate)C ×φD /time=1
(但し、TCIは混合気が自己着火する時の燃焼室内の温度、PCIは混合気が自己着火する時の燃焼室内の圧力、O2_rateは燃焼室内の酸素濃度、φは混合気の当量比、timeは時間、A、B、C、Dはそれぞれ定数)、及び、
前記燃焼室内の圧力変化の関係式 PCI=PBDC×(VBDC/VCI)κ+Q×(κ-1)/VCI
(但し、PBDCは吸気下死点時の燃焼室内の圧力、VBDCは吸気下死点時の燃焼室内の体積、VCIは混合気が自己着火する時の燃焼室内の圧力、Qは混合気の燃焼により発生する熱量、κは混合気の比熱比)
に基づいて、燃焼室内の混合気が自己着火を開始する時点の前記燃焼室の体積VCIを推定すると共に、推定した体積VCIから、mfb50の最遅角位置を推定するエンジンの燃焼制御装置。 In the engine combustion control device according to any one of claims 1 to 4,
The mfb50 estimation unit
Self-ignition model of air-fuel mixture T CI A ×P CI B ×(O2_rate) C ×φ D /time=1
(However, T CI is the temperature in the combustion chamber when the air-fuel mixture self-ignites, PCI is the pressure in the combustion chamber when the air-fuel mixture self-ignites, O2_rate is the oxygen concentration in the combustion chamber, and φ is the equivalence ratio of the air-fuel mixture. , time is time, A, B, C, and D are constants), and
Relational expression of pressure change in the combustion chamber P CI = P BDC × (V BDC /V CI ) κ + Q × (κ - 1) / V CI
(However, P BDC is the pressure in the combustion chamber at the intake bottom dead center, V BDC is the volume in the combustion chamber at the intake bottom dead center, V CI is the pressure in the combustion chamber when the mixture self-ignites, Q is the mixture κ is the specific heat ratio of the air-fuel mixture)
Estimates the volume VCI of the combustion chamber at the time when the air-fuel mixture in the combustion chamber starts self-ignition based on, and estimates the most retarded position of mfb50 from the estimated volume VCI .
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